Authors:	Bergmann, Marcel
Title:	Optical quantum error correction and detection against photon loss for qubits and beyond
Online publication date:	25-May-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	Die Umsetzung optischer Quantenkommunikationsprotokolle ist immer noch eine der größten Herausforderungen in der Quanteninformatik. Für die Realisierung von Quantenteleportation oder Quantenschlüsselaustauschverfahren über große Entfernungen muss der exponentielle Abfall der photonischen Quanteninformation kompensiert werden. Um dies zu erreichen wurden Quantenrepeaterprotokolle auf der Basis von Quantenfehlerdetektion und -korrektur der Photonenverluste vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden neue Schemata zur Reduktion des Einflusses von Photonenverlusten in optischen Fasern entwickelt und im Umfeld der Quantenkommunikation angewandt. Der Hauptteil dieser Arbeit handelt von Quantenfehlerkorrekturkodierungen gegen Photonenverluste. Es werden sowohl exakte Kodierungen auf der Basis von sogenannten NOON-Zuständen und linearer Optik als auch approximative Kodierungen basierend auf Superpositionen optischer kohärenter Zustände entwickelt. Für beide Klassen von Kodierungen werden geeignete Qualitätskriterien untersucht sowie Verallgemeinerungen der Kodierungen von logischen Qubits zu allgemeinen logischen Qudits (quantenmechanische d-level-Systeme) diskutiert. Um ihre Praxistauglichkeit zu demonstrieren, werden die vorgeschlagenen Kodierungen in Ein-Weg-Kommunikationsschemata angewandt, d.h. in Schemata, bei denen kodierte Quanteninformation direkt durch entsprechende Quantenkanäle gesendet wird ohne z.B. eine vorausgehende Verteilung verschränkter Zustände. Desweiteren verallgemeinern wir ein bekanntes hybrides Quantenrepeaterprotokoll zur Verteilung materieller Qubit-Qubit-Verschränkung auf der Basis optischer kohärenter Zustände auf die Verteilung beliebig-endlichdimensionaler materieller Qudit-Qudit-Verschränkung. Unter der Annahme perfekter Speicher und deterministischem Verschränkungsaustausch werden die Raten und Güten dieses Repeaterprotokolls für diverse elementare Distanzen und Gesamtdistanzen berechnet. The realization of optical quantum communication protocols is still one of the most challenging tasks in quantum information. To make specific tasks like quantum teleportation or quantum key distribution over large distances possible, the exponential decay of photonic quantum information has to be compensated. To achieve this, quantum repeaters exploiting quantum error detection and correction of photon losses have been proposed. In this thesis, new schemes to tackle the photon loss occurring in optical fibers are developed and applied in quantum communication scenarios. The main part of this thesis is on quantum error correcting codes against photon loss. We develop exact codes based on NOON states and linear optics as well as approximate codes based on coherent state superpositions. For both classes of codes, we investigate suitable performance measures and show how to generalize them from logical qubits to general logical qudits. Furthermore, we apply the proposed codes in so-called one-way communication schemes to demonstrate their practical relevance. Beside this, we propose a generalization of a known hybrid quantum repeater protocol for the distribution of material qubit-qubit entanglement mediated by coherent states of light to arbitrary finite dimensional material qudit-qudit entanglement distribution. Assuming perfect matter memories and deterministic entanglement swapping operations, we calculate the entanglement distribution rates and final fidelities for various total distances and repeater spacings.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4843
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000027962
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VIII, 140 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen